چکیده

از دیرباز تاکنون برای انتقال اطلاعات از محیط‌های هادی متفاوتی استفاده ‌شده است که متداول‌ترین آن‌ها هادی‌های مس و فیبرهای نوری می‌باشند. در راستای سهولت استفاده از آن‌ها، مقاوم‌سازی و افزایش ایمنی در استفاده از این هادی‌ها، روکش‌هایی از جنس مواد مختلف بر روی آن‌ها قرار می‌گیرد و تبدیل به کابل می‌شوند. این کار به‌وسیله‌ی فرآیندی به نام اکستروژن انجام می‌پذیرد.با ورود کابل‌ها به داخل ساختمان‌ها الزامات و استانداردهای جدیدی برای اطمینان از سلامت ساکنین به وجود آمدند، ازجمله می توان استاندارد عاری از هالوژن بودن برای روکش کابل‌ها اشاره کرد، درنتیجه مواد پلیمری جدیدی در کابل سازی جای خود را باز کردند.یک نمونه از این کابل ها تایت بافر نام دارد که قطر آن فقط 9/0 میلی‌متر است. تولید چنین کابلی باضخامت روکش ناچیز 325/0 میلی‌متر نیازمند دقت بالا در طراحی ابزار و عملیات تولید است. این فرایند دارای پیچیدگی‌های بسیاری برای به دست آوردن محصول نهایی باکیفیت قابل‌قبول است ازجمله تعیین دمای مناسب، تعیین شیب مناسب، تعیین طبقه مناسب مواد، تعیین دمای پیش گرم فیبر، تعیین هندسه مناسب برای ماردون، تعیین ابعاد مناسب برای برل، هندسه کلگی، ابزار تعیین قطر و فاصله‌ی بین آن‌ها، نسبت فشرده‌سازی تورپیدو، از متغیرهای تولید می‌باشد که هرکدام به زیرشاخه‌هایی تقسیم می‌شوند و ترکیب آن‌ها تعداد حالات بسیار زیادی را برای تولید ایجاد می‌کند.عیوب و ایرادات زیادی بسته به نوع کابل تولیدی در حین تولید به وجود می‌آید که یکی از آن‌ها دای درول می‌باشد که به پدیده‌ای خطاب می‌شود که مواد پلاستیکی در خروجی کلگی تجمع کرده که جز عیوب اصلی در تولید با مواد عاری از هالوژن است.این مواد در قسمت خروجی از اکسترودر جمع شده و انباشته می‌شود و یا بعضاً جداشده و به‌صورت حلقه‌های به همراه کابل تولیدی حرکت می‌کنند که در کابل‌های ظریف فیبر نوری باعث پارگی شده و راندمان تولید را پایین آورده و حتی در مواردی تولید را غیرممکن می‌سازد.تلاش ما پیدا کردن راه‌حلی برای به حداقل رساندن و کاهش این پدیده تا حد امکان بود تا از این طریق راندمان تولید را بالا ببریم. این کار را با بررسی تجربی میزان جمع شدگی در حالات مختلف تیپ و دای و در دما های مختلف انجام داده شد، سپس با شبیه سازی در نرم افزار Ansys polyflow نتایج حاصله را با فشار منفی حاصل در خروجی دای مرتبط ساخته و طراحی بهینه برای داشتن کمترین فشار منفی و کمترین دای درول بدست آمد. طراحی بدست آمده ساخته شد و در عمل تست گردید.


فهرست مطالب

فصل اول ۱
مقدمه ۱
۱-۱- اهمیت رفع و یا کاهش دای درول در کابل سازی: ۱
۱-۲- شرح سیستم صنعتی: ۳
۱-۳-بیان مسئله و اهداف پژوهش: ۳
۱-۴- اهمیت انجام پژوهش ۳
۱-۵- مراحل انجام پژوهش ۵

فصل دوم ۹
مبانی نظری پژوهش ۹
۲-۱- پلاستیک‌ها ۹
۲-۱-۱-مواد پلیمری ۱۰
۲-۱-۲-انواع پلاستیک‌ها ۱۲
۲-۱-۳-پلاستیک‌های در دسترس طراحان ۱۳
۲-۲- شکل‌دهی پلاستیک‌ها ۱۹
۲-۲-۱-انواع اکسترودر: ۲۰
۲-۲-۱-۱-اکسترودرهای تک شیار ۲۰
۲-۲-۱-۱-۱-قسمت‌های مختلف اکسترودر: ۲۱
۲-۲-۲-۲- اکسترودرهای دو ماردونه: ۲۴
۲-۳- فیبر نوری: ۲۴
۲-۳-۱- مقدمه: ۲۴
۲-۳-۲- قسمت های مختلف تار فیبر نوری ۲۵
۲-۳-۲-۱- هسته ۲۵
۲-۳-۲-۲- غلاف ۲۶
۲-۳-۲-۳-پوشش ۲۶
۲-۳-۳- انتقال نور در فیبر نوری ۲۶
۲-۳-۴- مقایسه فیبر نوری باسیم‌های مسی ۲۷
۲-۴- کابل سازی فیبر نوری ۲۹

فصل سوم ۳۱
پیشینه‌ی پژوهش ۳۱
۳-۱ مقدمه: ۳۱
فصل چهارم ۳۳
مواد و روش‌ها ۳۳
۱-۴- ویژگی‌های سیستم صنعتی مورد بررسی: ۳۳
۱-۴-۱- اکسترودر: ۳۳
۴-۱-۲ ماردون ۳۴
۴-۱-۳- کلگی ۳۴
۴-۱-۴- موشکی ۳۵
۴-۱-۵- ابزار تعیین‌کننده قطر (تیپ و دای) ۳۶
۴-۲- مراحل انجام پژوهش ۳۸
۴-۲-۱- پلیمر مورد تحلیل ۳۸
۴-۲-۲- بررسی تجربی جریان پلیمر مذاب ۳۹
۴-۲-۳- تحلیل عددی: ۴۸
۴-۲-۳-۱- مروری بر دینامیک سیالات محاسباتی CFD ۴۸
۴-۲-۳-۲- مفاهیم کلی در CFD ۵۰
۴-۲-۳-۳- آشنایی با نرم‌افزارهای شبیه‌ساز CFD ۵۲
۴-۳- شبیه‌سازی میدان جریان ۵۵
۴-۳-۱- معادلات و روابط حاکم ۵۵
۴-۳-۱-۱- معادله پیوستگی ۵۵
۴-۳-۱-۲- معادله مومنتوم ۵۵
۴-۳-۲- مدل‌های رئولوژیکی برای جریان مذاب پلیمری ۵۵
۴-۳-۳- بررسی حساسیت مش و انتخاب مش بهینه ۵۷

فصل پنجم ۵۹
نتایج تحلیل ۵۹
۵-۱- نتایج تجربی ۵۹
۵-۲- نتایج تحلیل CFD ۶۵
۵-۳- اعتبار سنجی نتایج تحلیل ۶۸

فصل ششم ۷۳
نتیجه‌گیری و پیشنهادات ۷۳
۶-۱- نتیجه‌گیری: ۷۳
۶-۲- پیشنهادات: ۷۴


فصل اول مقدمه

۵-۵- اهمیت رفع و یا کاهش دای درول در کابل سازی:

دای درول به پدیدهی جمع شدن مواد پلیمری در خروجی کلگی5 گفته میشود که در صورت افزایش حجم این ذرات منجر به کاهش کیفیت سطح روکش، پارگی روکش و ایجاد یک حلقه به دور کابل شده و راندمان تولید را کاهش و یا حتی تولید را غیرممکن میسازد.

 


شکل 1-1 جمع شدن مواد در اطراف و قسمت خروجی کلگی که به پدیدهی دای درول معروف است.

۵-2- شرح سیستم صنعتی:

کارخانه صنایع نیرو و ارتباطات آرمان صنعت رفسنجان در منطقهی ویژهی اقتصادی رفسنجان واقعشده و توان تولیدی سالانه 500000 کیلومتر انواع کابلهای فیبر نوری را دارا میباشد. این شرکت اولین تولیدکنندهی تخصصی کابلهای فیبر نوری داخل ساختمان در ایران است.و محصولات این شرکت در پروژههای FTTH که بهتازگی توسط مخابرات ایران در حال اجراست مصرف میشود.

۵-۹-بیان مسئله و اهداف پژوهش:

در کابل سازی برای تأمین محافظت کافی در برابر عوامل فیزیکی و محیطی، در چندین مرحله روکشهایی از جنسهای متفاوت بر روی فیبر قرار میگیرد.

پایه اصلی اکثر تولیدات این شرکت کابل ظریفی به نام تایت بافر5 است، قطر این کابل 9/0 میلیمتر و ضخامت روکش آن 523/0 میلیمتر است و در آن روکش بر روی فیبر میچسبد.

ضخامت ناچیز این کابل باعث میشود که در اثر عوامل محیطی و مکانیکی در حین تولید بهراحتی پاره شده که منجر به پایین آمدن ظرفیت تولید کارخانه، ناقص شدن طول کابلهای تولیدی و در مواردی غیرممکن ساختن تولید میشود.

با اعمال شرایط فرایندی بهینه در هنگام تولید میتوان دای درول را به حداقل رساند و حتی کاملاً از بین برد.

یکی از عوامل اصلی تأثیرگذار طراحی ابزار تعیینکننده قطر کابل یعنی تیپ4 و دای است که تأثیر بسیاری در کاهش پدیدهی دای درول دارد؛ و هدف تعیین بهترین طراحی برای ابزار تعیینکننده قطر است تا بتوان با به حداقل رساندن و از بین بردن دای درول راندمان تولید کارخانه را افزایش داد.

۵-4- اهمیت انجام پژوهش

جمع شدن مواد در خروجی بهمرورزمان باعث ایجاد حلقهای از مواد پلیمری در اطراف کابل در حال تولیدشده که منجر به پایین آمدن کیفیت سطح و همچنین پاره شدن روکش شده و کابل را غیرقابل استفاده میکند. این پدیده که به دای درول معروف است باعث کاهش ظرفیت تولید این کارخانه به میزان یک چهارم مقدار نامی، افزایش ضایعات فیبر ،مواد پلیمری و زمان شده بود.

همانطور که اشاره شد این کابل پایه اصلی 30 درصد از کابلهای تولیدی این کارخانه است و بهعنوان پیشساخته برای کابلهایsimplex, Duplex, Breakout, …Distribution, FTTA,…… مورد استفاده قرار میگیرد و عدم توانایی در تولید این کابل در طولهای بلند بهصورت یکپارچه و بدون پارگی، توانایی تولید کابلهای مذکور را از این شرکت گرفته بود.


شکل 1-2 پارگی روکش در اثر افزایش میزان دای درول و حلقههای ایجادشده در کارخانهی آرمان صنعت رفسنجان



شکل 1-5 حلقههای ایجادشده به دور روکش در اثر دای درول در کارخانهی آرمان صنعت رفسنجان

۵-۱- مراحل انجام پژوهش

با توجه به اینکه اساس کار کابل سازی ،شکلدهی به پلیمرهاست. پژوهش بامطالعه بر روی پلیمرها و خواص آنها آغاز شد، همچنین مطالعه بر روی روشهای شکلدهی پلیمرها و بهترین روش و مناسبترین تجهیزات مانند اسکرو یا ماردون، موشکی یا تورپیدو و غیره آغاز شد. سپس بررسی تجربی حالات و شرایط مختلف در تولید و تأثیر هرکدام بر روی میزان جمع شدگی مواد در اطراف خروجی انجام شد و تحلیل گردید. در مرحله سوم در نرمافزار Ansys Fluidflow – extrusion(Polyflow) حالت تیپ و دای شبیهسازی شد و با نتایج تجربی مقایسه گردید و حالتی بهینه برای طراحی ابزار تولیدی به دست آمد که ساخته شده و تست گردید.

این روند بهطور خلاصه بهصورت زیر میباشد.

  1. تحقیق و مطالعه در مورد خواص پلیمرها.
  2. مطالعهی روشهای مختلف شکلدهی پلاستیکها.
  3. بررسی انواع اکسترودرها و اجزای تشکیلدهندهی آنها.
  4. بررسی انواع ماردون ها و کاربرد هرکدام.
  5. بررسی طراحی ابزار شکلدهی به کابل.
  6. بررسی پدیدهی دای درول و علت ایجاد آن.
  7. بررسی شرایط بهینه برای کاهش دای درول با تغییر نوع ماردون.
  8. نمونهبرداری تجربی از میزان جمع شدگی مواد با تغییر شرایط دمایی و فاصلهی بین تیپ و دای.
  1. شبیهسازی تیپ و دای در نرمافزار Ansys polyflow.
  2. اعتبار سنجی نتایج تجربی با نتایج حاصل از Ansys poly flow و پیدا کردن عامل مؤثر در جمع شدگی مواد.
  3. طراحی ابزار تولیدی بهینه برای کاهش این پدیده.
  4. ساخت ابزار و آزمودن عملی.

این نگارش در شش فصل کلی میباشد، در فصل اول به معرفی کلی پژوهش، تعریف مسئله، اهداف آن و مراحل انجام پژوهش پرداخته شد، فصل دوم شامل مباحث نظری مرتبط با پژوهش است که برای درک بهتر سیستم صنعتی موردمطالعه تنظیم و نگارش شده است. در فصل سوم بهطور مختصر پیشینه پژوهش و برخی از روشهای انجامشده در سالهای اخیر درزمینهی کاهش و حذف پدیدهی دای درول برای مواد مختلف مرور شده است. شرح مراحل کار و روشهای استفادهشده در انجام پژوهش در فصل چهارم آمده است. در فصل پنجم به تحلیل و ارائهی نتایج حاصل از روشهای تشریح شده در فصل چهارم پرداختهشده است و درنهایت در فصل ششم نتایج نهایی پژوهش و پیشنهادهای لازم مطرح میشود.

 

فصل دوم مبانی نظری پژوهش

در این فصل به تشریح مبانی نظری پژوهش اعم از معرفی پلیمرها، ساختار مواد عاری از هالوژن، روشهای تولید و فرایند پذیر کردن پلیمرها، انواع تجهیزات شکلدهی آنها، ساختار و اجزای تشکیلدهندهی و نحوهی عملکرد این تجهیزات، ساختار و طراحی ابزار تولیدی و شرح مختصری از فرآیند کابل سازی پرداختهشده است.

2-۵- پلاستیکها

واژه پلاستیک به موادی شبیه نایلون، پلیاتیلن5، تفلون )پلی تترا فلوئورو اتیلن( اشاره دارد. همانطور که واژه فلزات ،آلومینیوم، روی و فولاد را به خاطر میآورد. توجه به این نکته مهم است ۵1

 

همچنان که روی، خواص کاملاً متفاوتی با فولاد در گروه فلزات نشان میدهد، نایلون نیز خواصی کاملاً متفاوت با تفلون در گروه پلاستیکها دارد.

درجهبندی و انواع پلاستیک ها گوناگون است، به همین ترتیب برای مثال ،پلیپروپیلن1 نیز بهعنوان نوعی پلاستیک دارای درجهبندی و انواع متفاوتی است.

معمولاً تصور میشود پلاستیکها مواد نوظهوری هستند ولی درواقع بهعنوان عضو و جزئی از خانوادهای بزرگتر موسوم به پلیمرها، اساس و پایه در زندگی حیوانی و نباتی محسوب میشوند. ساختمان پلیمرها با مولکولهای بسیار دراز زنجیر گونه با ساختمان فلزات کاملاً متفاوت است. مواد طبیعی مانند ابریشم، لاک، قیر طبیعی، کشسانها و سلولز دارای چنین ساختمان مولکولی هستند. البته تا قرن نوزدهم میلادی که کوششهایی برای تهیه مواد پلیمری مصنوعی آغاز و منجر به ساخت سلولز شد، کار مهمی انجامنشده بود. این ماده پلیمری جدید به نام مخترعش، الکساندر پارکس2، پارکساین5 نامیده شد و گرچه قابلارائه به بازار مصرف نبود ولی بعد از مدتی به ساخت سلولویید4 منتهی شد .این پلیمر به دلیل توانایی جایگزینی با مواد طبیعی نادر و کمیابی، مثل عاج فیل، در ساخت گلولههای بازی بیلیارد از اهمیت بسیاری برخوردار شد.

2-۵-۵-مواد پلیمری

این مولکولهای مصنوعی بلند از اتصال و به هم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکولی، موسوم به مونومر3 تشکیلشدهاند. روش اتصال مولکولها به یکدیگر را پلیمره شدن مینامند و تعداد این واحدهای کوچک مولکولی در زنجیر دراز به درجه پلیمره شدن موسوم است. نامگذاری بسیاری از پلیمرها تنها با افزودن نام پلی به نام منومر مربوط به دست میآید. بهعنوانمثال پلیمرهای پلیپروپیلن و پلی استایرن به ترتیب از منومرهای پروپیلن و استایرن2 بهدستآمده است.

واژه پلیمرها و پلاستیکها معمولاً هنگام کاربرد مترادف فرض میشود، اما درواقع با یکدیگر تفاوت دارند. پلیمر ماده خالصی است که از واکنش پلیمره شدن حاصل میشود. این واژه معمولاً بهعنوان نام خانوادگی کلی موادی به کار میرود که دارای مولکولهای دراز زنجیر گونه است و حتی کشسانها را نیز شامل میشود. پلیمر بهندرت بهصورت خالص مصرف و با افزودن مواد دیگری به آن، که اصطلاحاً پلاستیک نامیده میشود، مصرف میشوند. پلیمرها به دلایلی حاوی مواد افزودنی هستند، در ذیلمهمترین مواد افزودنی و علل کاربرد آنها ذکر میشود.

الف( مواد ضد بار ساکن۵

بسیاری از پلیمرها به دلیل نارسانایی، الکتریسیته ساکن در خود انبار میکند. مواد ضد الکتریسیته ساکن، رطوبت هوا را به سطح پلاستیک جذب و درنتیجه خواص هدایت الکتریکی آن را اصلاحکرده، احتمال ایجاد جرقه یا تخلیه الکتریکی را کاهش میدهند.

ب( مواد پیونددهنده )جفت کننده(2

این مواد بهمنظور تحکیم پیوند بین پلاستیک و مواد پرکننده معدنی مانند الیاف شیشه به کار میرود.

انواع مختلف سیلان5 و تیتانیت4 برای این منظور مصرف میشود.

پ( مواد پرکننده

بعضی پرکنندهها مثل مواد معدنی به شکل الیاف کوتاه یا پولک مانند خواص مکانیکی پلاستیکها را بهبود میبخشد. از برخی مواد دیگر موسوم به حجم افزونها، برای تهیه حجم بزرگی از پلاستیک از مقدار کمی رزین استفاده میشود. کربنات کلسیم، سیلیکا جزو آنها هستند.

ت( مواد به تأخیر اندازنده اشتعال۱

اکثر پلیمرها موادی آلی بوده و زود مشتعل میشوند. مواد افزودنی حاوی کلراین، بروماین و نمکهای فسفری و فلزی، احتمال وقوع احتراق و گسترش آن را کاهش میدهد.

ث( روان کنندهها6

موادی نظیر شمع گونهها2 یا استارت کلسیم3 که گرانروی پلاستیک مذاب را کاهش داده ،شکلپذیری آن را آسانتر میکند.

ج( رنگدانهها۵

موادی است که برای ایجاد رنگهای گوناگون در پلاستیکها به کار میرود.

چ( نرمکنندهها2

موادی با اوزان مولکولی کم هستند که خواص و مشخصههای شکلگیری پلاستیکها را تغییر میدهد. بهترین نمونه کاربرد آنها، تهیه پلی وینیل کلراید )پیویسی(5 انعطافپذیر با استفاده از این مواد است.

ح( استحکام دهندهها

با افزودن موادی نظیر الیاف شیشه یا الیاف کربن مقاومت و سفتی پلیمرها افزایش و بهبود مییابد.

خ( پایدار کنندهها4

پایدار کنندهها موادی است که از فساد و تخریب پلیمرها در مقابل عوامل محیطی جلوگیری میکند؛ مانند مواد ضد اکسایش که به پلاستیکهایی نظیر اکریلو نیتریل -بوتا دیان- استایرن3، پلیاتیلن و پلی استایرن اضافه میشود و پایدار کنندههای حرارتی که معمولاً برای شکلدهی پلی وینیل کلراید به کار میرود. این مواد همچنین پلاستیک را در مقابل اشعه ماورای بنفش محافظت میکند.

2-۵-2-انواع پلاستیکها

پلاستیکها به دو دسته مهم و کلی تقسیم میشوند:

الف( مواد گرمانرم6

در مواد گرمانرم زنجیرههای دراز مولکولی با نیروهای ضعیف واندروالسی2 در کنار یکدیگر قرارگرفتهاند.

وقتی به این مواد حرارت داده شود، نیروهای بینمولکولی ضعیف میشود بهطوریکه ماده، نرم وانعطافپذیر شده، سرانجام در اثر افزایش دما به حالت مذاب گران روان درمیآید.

هنگامیکه ماده را سرد کنیم دوباره به حالت جامد برمیگردد. نرم شدن ماده در اثر گرم کردن و جامد شدن در اثر سرد کردن را میتوان بارها و بارها تکرار کرد؛ این مشخصه، مهمترین ویژگی و خصوصیت مواد گرمانرم و پایه بسیاری از روشهای متداول شکلدهی است. از طرف دیگر این ویژگی بیانگر این نقطه ضعف است که خواص مواد گرمانرم، به گرما و حرارت بسیار حساس و وابسته است .مثال ملموسی از این مواد، شمع گونه است که بهدفعات در اثر حرارت ذوب و نرم شده، با سرد شدن بهصورت جامد درمیآید.

ب( پلاستیکهای گرماسخت۵

پلاستیک گرماسخت با واکنش شیمیایی دومرحلهای تهیه میشود. در اولین مرحله ،مولکولهای دارای زنجیره بلند، شبیه آنچه برای پلاستیکهای گرمانرم ذکرشده، تشکیل میشود که همچنان قابلیت انجام واکنش دیگری را دارد. مرحله دوم واکنش یعنی ایجاد اتصالات عرضی بین زنجیر2 در خلال عملیات قالبگیری و در اثر اعمال حرارت و فشار صورت میگیرد. قطعه حاصل، پس از سرد شدن سخت به نظر میرسد، درحالیکه ازنظر ساختمانی شبکه مولکولی متراکمی در آن ایجادشده است. در مرحله دوم واکنش، زنجیرهای دراز مولکولی با پیوندهایی قوی به یکدیگر متصل میشوند و ماده نمیتواند در اثر حرارت، دوباره نرم و روان شود. اگر حرارت دادن افزایش یابد، ماده تخریب مولکولی شده به زغال مبدل میشود. این رفتار را میتوان به تخممرغ سفت شده در آب جوش تشبیه کرد که وقتی خنک میشود سخت است و در اثر حرارت دادن مجدد نیز، نرم نمیشود. پیوندهای عرضی بین زنجیرهای پلیمر، پیوندهای شیمیایی قویای هستند؛ به همین دلیل، مواد گرماسخت دو مشخصه بارز سخت و مستقل بودن خواص مکانیکی از حرارت را دارا میباشند. فنل فرم آلدیید5، اوره فرم آلدیید4، اپوکسی ها و برخی از پلیاسترها جزو مواد گرماسخت محسوب میشوند.

2-۵-۹-پلاستیکهای در دسترس طراحان

پلاستیکها برخلاف سایر مواد متداول در طراحی قطعات، طیف گستردهای از خواص گوناگون را عرضه میدارند که باید در کار طراحی آنها را مدنظر داشت. این بدان مفهوم نیست که هر پلاستیکی را حتی با داشتن ترکیبی از خواص مناسب ،میتوان برای هر کاربردی استفاده کرد؛ بلکه طراح بایدبر خواص مختلف پلاستیکها آگاهی و تسلط داشته با درایت آنها را به کار گیرد. یکی از رایجترین اشتباهات طراحی، داشتن پیشفرضها و تصورات قبلی است بهعنوان نمونه، اعتماد به پلاستیک بر اساس نتیجه کسبشده از یک روش غیرمنطقی، یکی از خطاهای طراحی است. طراحی خوب، انتخاب طیفی از مواد ،ازجمله غیر پلاستیکها و قضاوت صحیح برای انتخاب بهترین ماده است. بدین ترتیب ،مزایای کاربرد پلاستیکها در مقایسه با سایر مواد بهتر مشخص میشود.

الف(پلاستیکهای مهندسی۵

بسیاری از گرمانرمها بهعنوان مواد مهندسی پذیرفتهشدهاند و برخی از آنها پلیمرهای مهندسی نامیده میشود. شاید بهترین تعریف برای پلاستیکهای مهندسی این باشد، موادی هستند که در مقابل اعمال بار، مقاومت کموبیش نامحدودی نشان میدهند. با این تعریف ،گرمانرمها در مقایسه با فلزات نقاط ضعفی دارند؛ زیرا آنها مدول کم و وابسته به زمان و مقاومت اندک بهاستثنای شرایطی خاص دارند؛ اما این نقاط ضعف مهم را نقاط قوت و مزایایی مانند پایین بودن چگالی، مقاومت در برابر سیالاتی که موجب خوردگی فلزات میشوند و از همه مهمتر، سهولت شکلپذیری، جبران میکند؛ بنابراین ،پلاستیکها زمانی به رقابتی موفقیتآمیز با سایر مواد مهندسی دست مییابند که تعادلی مطلوب و مقبول از خواص و قابلیتها را ارائه دهند، نه اینکه دارای برتری در خاصیتی ویژه باشند .البته سهولت شکلگیری آنها در اشکال پیچیده هندسی عامل مهم و مشخصه بارز انتخاب و کاربرد پلاستیکهاست. این خاصیت ،نهتنها قیمت تمامشده قطعه را کاهش میدهد، بلکه طراحی اشکال غیرقابلتصور و پیچیده را نیز ممکن میسازد و آن را بهعنوان جایگزین بلامنازع برای فلز مطرح میکند.

مهمترین موادی که امروزه در زمره پلاستیکهای مهندسی محسوب میشوند، عبارت است از: نایلون ،استال، پلی کربنات، پلی فنیلن اکساید اصلاحشده، پلی استرهای گرمانرم، پلی سولفون و پلی فنیلن سولفاید. انواع و درجهبندیهای جدیدی از پلیپروپیلن هم کاربرد مهندسی یافته است که اگر آنها را در نظر بگیریم، مصرف آن بالغبر نیم میلیون تن میشود. همچنین پلی وینیل کلراید فاقد نرمکننده که در صنعت لولهسازی بهصورت گستردهای استفاده میشود و حتی پلیاتیلن که در ساخت مفاصل و اتصالات مصنوعی به کار میرود، میتوان جزو پلاستیکهای مهندسی به حساب آورد چون امکان دارد یکی از انواع یا مشتقات یا نوع اصلاحشدهای از آن، کاربردی مهندسی داشته باشد.

در سالهای اخیر، نسل کاملاً جدیدی از پلاستیکهای مهندسی بادوام و عمر کارکرد زیاد در مقیاستجاری در دسترس است. این مواد جدید خواص برتر و نادری را که تاکنون در پلاستیکها مطرح نبودهاند، بهویژه ازنظر عملکرد در دمای بالا، عرضه داشته و دریچههایی را برای استفاده از پلاستیکها در کاربردهای خاص باز میکنند.

دستهبندی اصلی این مواد جدید بدینصورت است:

  1. پلی آریل اتر1ها و پلی آریل تیو اتر2ها پلی آریل اتر سولفون ها 5 پلی فنیل سولفاید4 پلی اتر نیتریل 3 پلی اتر کتون ها2
  2. پلی ایمایدها و پلی بنزیمایدازول پلی اتر ایماید2 پلی ایماید گرمانرم3 پلی امید ایماید9
  3. فلوئورو10 پلیمرها
  4. اتیلن پروپیلن فلئوره شدهپر فلوئورو آلوکسی

ب( گرماسختها

در سالهای اخیر، به صنعت رو به افول مواد گرماسخت توجه دوبارهای مبذول شده است. بازار کلی مواد گرماسخت در اروپای غربی به دلایلی سیر نزولی داشته است که یکی از آنها قدیمی بودن گرماسختها و تولید به روشهای سنتی و با سرعت کم است. دلیل دیگر ورود پلاستیکهای مهندسی مقاوم در برابر دمای زیاد به بازار و نیاز به ساخت قطعاتی بسیار کوچک خصوصاً در صنعت الکترونیک بوده است؛ اما امروزه گرماسختها رقابت با گرمانرمها را آغاز کرده و خصوصیات خوبی مانند رنگپذیری، سهولت روان شدن و شکلگیری در قالب را به همراه خواص عالی دیگر عرضه میکنند.

امروزه، مواد فنلیک مخصوص قالبگیری همراه با گرانولهایی از مواد گرماسخت بر پایه اوره، ملامین و پلی استرهای اشباعنشده، رزینهای اپوکسی که قابلیت بهآسانی روان شدن را دارند استخوانبندی کاربردهای مهندسی متعددی را تشکیل میدهند که نیاز به عدم ذوب شدن، مقاومت شیمیایی و حرارتی، سفتی، سختی سطحی، استحکام ابعادی زیاد و قابلیت اشتعالپذیری اندک، از مشخصههای بارز آنهاست.

پ( مواد مرکب) چندرگه(۹

یکی از عوامل مهم توجه به پلاستیکها برای مصارف مهندسی، امکان افزودن الیاف استحکام دهنده برای تقویت خواص آنها است. مواد مرکب حاصل، برای کاربرد در صنایع هوایی و خودروسازی بسیار مناسب است .هماکنون در امریکا، این قبیل صنایع بیش از 100000 تن از مصرف تقریباً یک میلیون تنی مواد مرکب را در سال، به خود اختصاص دادهاند.

گرماسختها و گرمانرمها بازارهای فروش کاملاً مجزایی دارند، هر دو با استفاده از الیاف استحکام دهنده مزایای بیشتری پیدا میکنند. این جدایی ناشی از اختلافات اساسی و بنیادین طبیعت این دو ماده ازنظر خواص و مشخصههای شکلگیری است.

الیاف شیشه از مهمترین تقویتکنندههای پلاستیکها محسوب میشود، زیرا ترکیب خوبی را ازنظر استحکام، سختی و قیمت تمامشده در قطعه ارائه میدهد.

ت( اسفنجهای ساختمان پذیر۵

ظهور اسفنجهای ساختمان پذیر فرصت غیرمنتظره اما جالب و مهیجی را برای طراحان پدید آورده است. بسیاری از پلاستیکها با استفاده از مواد فراری که در جریان عملیات قالبگیری خارج میشود، ساختمانی سلولی به خود میگیرد که درونی اسفنجی و سخت با پوستهای جامد و چقرمه دارد. این نوع ساختمان اهمیت و حساسیت ویژهای در دنیای مواد یافته است و نسبتی عالی از مقاومت به وزن را ارائه میدهد.

اسفنجی شدن با توزیع گاز بیاثر در رزین مذاب قبل از عمل قالبگیری صورت میگیرد. گاز مذکور اغلب از اختلاط رزین و ماده شیمیایی فراری که در اثر گرما دیدن، گاز متصاعد میکند یا از تزریق مستقیم گاز خنثی) معمولاً نیتروژن( تأمین میشود.

بنابراین وقتی مخلوط گاز و رزین به سرعت به داخل قالب تزریق میشوند، گاز انفجارگونه منبسط شده، مواد را با فشار به تمام قسمتها و حفرههای قالب پخش میکند که درنتیجه، ساختمانی درون اسفنجی با پوسته خارجی سخت و جامد به دست میآید.

ث( الاستومرها2

کشسانهای رایج یکی دیگر از اعضای خانواده پلیمرها هستند زیرا از مولکولهای دراز زنجیر گونه تشکیل شدهاند. این زنجیرها بهصورتی نامنظم ،پیچخورده و درهم تابیده هستند .ازاینرو، انعطافپذیری بالایی را به ماده داده امکان تغییر شکل زیادی را فراهم میکند. کشسانها در حالت خام و پخته نشده، پس از تغییر شکل زیاد قابلیت برگشت به حالت اولیه را بهطور کامل ندارند؛ زیرا مولکولها از میان یکدیگر بهصورتی غیرقابل بازگشت میلغزند. برای جلوگیری از این لغزش مولکولی ،آنها را به روش ویژهای موسوم به گوگردی کردن پخت میکنند. بدین ترتیب مولکولها درست شبیه حالتی که برای گرماسختها ذکر کردیم، با پیوندهای عرضی به یکدیگر متصل شده و بهصورت شبکه درمیآید. این پیوندهای عرضی هیچ تأثیری بر بینظمی اولیه موجود در ساختمان مولکولی کشسان ،اعم از گلولهای شکل بودن یا پیچوتابهای موجود در آن ندارد و هنگامیکه کشسان را تحت تغییر شکل قرار دهیم ،مولکولها کشیده شده، گسترده و باز میشود اما روی یکدیگر نمیلغزد. لذا وقتی نیروی اعمالشده برای ایجاد تغییر شکل را برمیداریم، کشسان فوراً به حالت اولیه خود بازمیگردد.

ج( آلیاژهای پلیمری۹

اگرچه آلیاژهای پلیمری از دیرباز مطرح بودهاند، اما ابداعات و پیشرفتهای بهدستآمده در ساختآلیاژهای پلیمری جدید، در سالهای جدید نویدبخش بوده است. افزایش توجه و فعالیتهای اخیر درزمینهی آلیاژهای پلیمری ناشی از چند عامل جدید است .اولاً پیشرفت روشهای بسیار پیچیده برای تلفیق و ترکیب پلاستیکها با یکدیگر است که درگذشته نامیسر و ناسازگار قلمداد میشد.

دیگری پیدایش رقابتی فشرده برای به دست آوردن سهمی از بازارهای جدیدی نظیر ساخت سپر خودرو و بدنه و غیره است.

مواد عاری از هالوژن

مواد عاری از هالوژن نوعی آلیاژ پلیمری محسوب میشوند که در ساختار آنها از مواد هالوژن دار استفاده نشده است.

هالوژنها به دسته مواد غیرفلزی اشاره دارد که در گروه 2 جدول تناوبی عناصر یافت میشوند و شامل:

  1. فلورین
  2. کلرین
  3. برم
  4. ید
  5. استاتین

میباشند که در هنگام آتشسوزی این عناصر آزاد شده و ایجاد گازهای سمی و خورنده میکنند.

گازهای خورنده و سمی توانایی آسیب رساندن به قطعات الکترونیکی را داشته و بهراحتی باعث مسمومیت افراد میشوند و در مواردی در صورت غلظت بالا کشندهاند.

ازاینرو تلاش برای تولید موادی عاری از هالوژنها اما با همان خواص فیزیکی به عمل آمد که منجر به تولید موادی بانامهای:

LSZH – HFFR – LS0H – LSNH

شد که عاری از هالوژن، بدون دود و یا خود اتفاع هستند؛ که قابلیت از بین بردن و خاموش کردنشعله را دارا میباشند.

این مواد درواقع ترکیبهای هستند که شامل هیدروکسید آلومینیوم، اتیلن ونیل استات یا پلیاتیلن میشوند. در برخی از موارد هیدروکسید آلومینیوم با هیدروکسید منیزیم جایگزین میشود اما به علت گرانی نسبی این ترکیبات تولیدکنندگان آنها را ترجیح نمیدهند.

این مواد در پژوهش جاری موردبررسی قرارگرفتهاند.

چ( پلیمرهای بلوری مایع۹ )LCP(

پلیمرهای بلوری رایج مایع) LCP( بهتازگی در بین مواد پلاستیکی ظهور کردهاند. این مواد از استحکام ابعادی بسیار خوب، مقاومت بالا، سختی، چقرمگی و مقاومت در مقابل مواد شیمیایی ،توأم با خاصیت سهولت شکلپذیری برخوردار هستند. این مواد پلیاسترهای حلقوی گرمانرمی هستند که در حالت مذاب، از ساختمان بسیار منظم و آرایش یافتهای برخوردارند. وقتی این پلیمرها تحت تنش قرار میگیرند، زنجیرهای مولکولی روی یکدیگر میلغزند ولی کماکان ساختمان مولکولی بهصورتی منظم و آرایش یافته باقی میماند. خاصیت حفظ و بقای ساختار بسیار بلوری، خواصی استثنایی به آنها بخشیده است.

2-2- شکلدهی پلاستیکها

یکی از مهمترین ویژگیهای پلاستیکها، سهولت شکلپذیری آنهاست. در بعضی حالات، قطعات نیمهکاملی نظیر ورقهها یا میلههای تولیدشده، متعاقباً با استفاده از روشهای متداول ساخت، مانند جوشکاری یا ماشینکاری به قطعه نهایی تبدیل میشود؛ اما در بسیاری مواقع، قطعه نهایی، علیرغم برخورداری از شکلی کاملاً پیچیده، طی یک مرحله تولید میشود. عملیات حرارت دادن، شکل دادن و خنک کردن ممکن است )مانند تولید لوله به روش اکستروژن( به دنبال یکدیگر و بدون وقفه انجام میشود و یا ممکن است طی مراحلی ناپیوسته ،زمانگیر و تکرارشونده )مثل عملیات تولید تلفن خانگی به روش قالبگیری تزریقی( صورت پذیرد که در اکثر موارد، فرآیند بهطور خودکار انجامشده برای تولید انبوه بسیار مناسب است.

در بسیاری از حالات، انتخاب روش، به چگونگی شکل نهایی قطعه گرمانرم یا گرماسخت بودن مادهبستگی دارد؛ که در اینجا فقط به بررسی اکستروژن میپردازیم.

اکستروژن:

در اکستروژن مواد خام پلاستیکی بهصورت گرانول به درون تجهیزی به نام اکسترودر وارد میشوند و سپس توسط یک ماردون به درون برل رانده میشوند. به برل برای رسیدن به دمای موردنظر برای ذوب پلاستیک گرما داده میشود، بسته به نوع اکسترودر ناحیه گرمایی برل به سه یا چهار ناحیه تقسیم میشود که هرکدام قابلیت تنظیم دمای جداگانه را دارا میباشند. سپس ماده به درون کلگی واردشده و پس از عبور از موشکی و تیپ و دای از اکسترودر خارج میشود.

2-2-۵-انواع اکسترودر:

2-2-۵-۵-اکسترودرهای تک شیار

یکی از متداولترین روشهای شکلدهی پلاستیکها، اکستروژن است که از یک ماردون در داخل محفظهای )مطابق شکل 2-1( تشکیلشده است. پلاستیک معمولاً بهصورت دانهای شکل یا خاکه نرم، از قیف به ماردون تغذیه میشود. آنگاه در حال حمل بهوسیله ماردون در طول محفظه، در اثر هدایت حرارت از طرف گرمکنندههای محفظه و برش ناشی از حرکت بر روی لبههای ماردون، گرم میشود.

عمق معبر در طول ماردون کاهشیافته موجب فشرده شدن مواد میشود. در انتهای محفظه اکسترودر ،مذاب با عبور از حدیدِ ای به شکل موردنظر برای محصول نهایی درمیآید. همانطور که بعداً خواهیم دید؛ به دلیل امکان استفاده از حدیدهای مختلف اکسترودر یعنی مجموعه محفظه و ماردون را میتوان بهعنوان بدنه واحد اصلی تولید قطعاتی با اشکال مختلف به کاربرد.

الف( ناحیه تغذیه: کار این ناحیه، دادن گرمای اولیه به پلاستیک و انتقال آن به نواحی بعدی است .

طراحی این ناحیه حائز اهمیت است.

ب( ناحیه تراکم و فشردگی: در این ناحیه، عمق شیار های ماردون بهتدریج کاهش مییابد که موجب متراکم شدن و فشردگی پلاستیک میشود. این فشردگی دو نقش عمده ایفا میکند؛ یکی آنکه هوای محبوس در داخل مواد را به ناحیه تغذیه میراند و دیگر آنکه انتقال حرارت را با کاهش دادن ضخامت مواد بهبود میبخشد.

ج( ناحیه اندازهگیری و سنجش: در این ناحیه، عمق ماردون یکسان و ثابت اما بسیار کمتر از عمقناحیه تغذیه است. در این ناحیه، مذاب بهصورت همگون و یکنواخت درمیآید طوری که با آهنگ

ثابتی، در درجه حرارت و فشار یکسان و ثابت، به کلگی یا حدیده تغذیه میشود. )مهندسی پلاستیک


شکل 2-1 نمای عمومی اکسترودر تک ماردونه)مهندسی پلاستیک دکتر کوکبی 1594(

————————————————————————————————————————————–

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

پایان نامه های موجود در سایت فقط در صورت دریافت پکیج طلایی انسیس قابل دریافت است.
برای دریافت این پایان نامه و تمامی پایان نامه های سایت، پکیج طلایی انسیس را خریداری بفرمایید. پس از خریداری پکیج طلایی لینک دانلود پایان نامه ها فعال خواهد شد.
شماره های تماس :
05142241253
09120821418

دریافت پکیج طلایی

————————————————————————————————————————————–